JP5244578B2

JP5244578B2 - 非接触電力伝送システム

Info

Publication number: JP5244578B2
Application number: JP2008327081A
Authority: JP
Inventors: 高木　　卓; 勝英市川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-12-24
Also published as: JP2010154592A

Description

本発明は非接触電力伝送システムに係り、特に磁気共振現象を利用した非接触電力伝送システムに関するものである。

電力を非接触で伝送する方法として、電磁誘導方式、電磁波による電力伝送方式、及び磁気共振現象を用いる電力伝送方式などが研究・製品化されている。電磁誘導方式は極めて近い距離でしか送電できない反面高い伝送効率をもち、電磁波による電力伝送方式は、伝送距離は長いが伝送効率は低い、などの特徴をもっている。磁気共振現象を用いる電力伝送方式に関しては、数ｍの伝送距離をもつことが非特許文献１で実証され、家電製品などへの応用が期待されている。

また、特許文献１のように、異なるアンテナコイルをもつ複数のＩＣカードでも同時に非接触通信を行えるようにする技術が存在する。しかし、電磁誘導を用いた非接触電力伝送では、電力の伝送距離が数ｍｍから数ｃｍの範囲に限られているため、広範囲に配置された複数の電力受信装置に対し同時に電力を伝送するような状況は考えられていない。

特開２０００−９９６５５公報 Andre Kurs, et al. "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances," SCIENCE, VOL 317, pp.83-85, 6 JULY 2007

磁気共振現象を用いた非接触電力伝送方式では、伝送損失が極めて少ないために電磁誘導方式に比べ長い距離を伝送することができるが、電力送信装置の伝送距離に比べ広い領域に複数の電力受信装置を配置する場合、電力送信装置を複数個設置することになり、設置面積・コストが大きくなってしまうという問題が生じる。

本発明の目的は前記した問題に鑑み、複数の電力受信装置を配置する場合においても、電力送信装置の設置台数を低減することのできる非接触電力伝送システムを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は電力送信装置と少なくも二つの電力受信装置を備え、電磁波を用いて非接触電力伝送を行う非接触電力伝送システムであって、電磁波を用いた非接触電力伝送により電力を送信する電力送信装置と、該電力送信装置からの電磁波到達範囲内にあり、前記電力送信装置からの電磁波を磁気共振を用いて受信してこれを中継する第１の電力受信装置と、該第１の電力受信装置からの電磁波到達範囲内にあり、かつ前記電力送信装置からの電磁波到達範囲外にあって、前記第１の電力受信装置が中継した電磁波を磁気共振を用いて受信する第２の電力受信装置とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、複数の電力受信装置を配置する場合においても、電力送信装置の設置台数を低減することのできる非接触電力伝送システムを提供できるという効果がある。さらには必要に応じて、それぞれの電力受信装置に任意の割合で電力を分配するよう制御することが可能であり、多段に電力受信装置を接続した場合に、末端の電力受信装置へ伝送される電力の低下を抑える効果もある。

以下、本発明の一実施例につき図面を用いて説明する。

本発明の非接触電力電送システムにおける第１の実施例を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施例による磁気共振現象を用いた非接触電力システムの全体構成を示すブロック図である。本実施例では、一つの電力送信装置から３つの電力受信装置に電力を送信する場合について説明する。

電力送信装置２００は、送信電力を所定の周波数で発振させる交流電源部３０、磁気共振現象によって電力を送信するための電力送信用コイル４０、電力送信用コイル４０を励振するための励振コイル５０を備える。
第1の電力受信装置２０１は、磁気共振現象によって電力を受信するための電力受信用コイル６１、電力受信用コイル６１と結合し、負荷へ電力を取り出す結合コイル７１、負荷８１を備える。第２、第３の電力受信装置２０２、２０３も同様に、電力受信用コイル６２、６３、結合コイル７２、７３、負荷８２、８３を備える。

第1の電力受信装置２０１は、電力受信用コイル６１が、電力送信装置２００から送信される電力の到達範囲３００の範囲内に位置するよう設置され、電力送信装置２００から直接電力を受信する。ここで電力受信用コイル６１は、電力送信装置２００に備えられる電力送信用コイル４０と共振し、電力を中継する電力送信コイルとしても動作する。このため、第２の電力受信装置２０２の電力受信用コイル６２は、電力受信装置２０１に備えられる電力受信用コイル６１からの電力到達範囲３０１の範囲内に設置されていれば、電力送信装置からの電力到達範囲３００の範囲外であっても電力を受信することができる。さらに第3の電力受信装置２０３も同様に、電力受信装置２０２に備えられる電力受信用コイル６２からの電力到達範囲３０２の範囲内に設置されていれば、電力送信装置２００からの電力到達範囲３００、及び電力受信装置２０１からの電力到達範囲３０１の範囲外であっても電力を受信することができる。

本実施例の非接触電力電送システムによれば、複数の電力受信装置に電力を送信する場合に電力受信用コイルの共振による電力伝送を利用することにより、送信装置から送信される電力到達範囲外にも電力受信装置を設置することができる。これによりユーザにとって電力送信装置及び電力受信装置の配置の自由度が増し、広範囲に電力受信装置を設置する場合には電力送信装置の設置台数を低減することもできる。

本発明の非接触電力伝送システムにおける第２の実施例を図面に基づき説明する。
図２は、本発明の一実施例による磁気共振現象を用いた非接触電力システムの全体構成を示すブロック図である。本実施例では、一つの電力送信装置から３つの電力受信装置に電力を送信する場合について説明する。

電力送信装置２１０は、実施例１に示した電力送信装置２００に、電力受信装置と通信するための通信部１１０、電力受信装置２１１〜２１３に備えられる負荷制御部を制御する制御部１００をさらに備えたものである。第1〜第3の電力受信装置２１１〜２１３は、実施例１に示した第1〜第3の電力送信装置２０１〜２０３に、それぞれ負荷８１〜８３の接続及び切断を制御する負荷制御部９１〜９３、電力送信装置２１０と通信するための通信部１１１〜１１３をさらに備えたものである。

電力送信装置２１０に備えられる通信部１１０とそれぞれの電力受信装置２１１〜２１３に備えられる通信部１１１〜１１３の間の通信は、互いに制御信号を送受信できるものであれば良く、例えば有線のLAN接続であっても良いし、無線LANなどの無線通信手段であっても良い。
また、それぞれの電力受信装置に備えられる通信部１１１〜１１３へ供給される電力は、電力受信用コイルから受信される電力であっても良いし、図３に示す一実施例のように、それぞれの電力受信装置２１１〜２１３が二次電池１６１〜１６３を備えていて、この二次電池から通信部１１１〜１１３へ電力が供給されても良い。
電力送信装置２１０に備えられる制御部１００は、それぞれの電力受信装置２１１〜２１３に備えられる負荷制御部９１〜９３へ制御信号を送り、任意のタイミングでそれぞれの負荷８１〜８３を結合コイル７１〜７３へ接続または切断するよう動作する。

先の実施例１において、複数の電力受信装置に電力を送信する場合に電力受信用コイルの共振による電力伝送を利用することにより、送信装置から送信される電力到達範囲外にも電力受信装置を設置する例を示した。実施例１の第1の電力受信装置２０１から第2の電力受信装置２０２に伝送される電力は、電力送信装置２００から送信される電力から第1の電力受信装置２０１に備わる負荷８１で消費される電力を差し引いたものとなり、末端の電力受信装置に伝送される電力は電力受信用コイルを介するごとに低くなってしまう。また、各電力受信装置の配置により、それぞれの電力受信用コイル間の伝送効率が異なる為、各装置へ伝送される電力の比率は、各コイルの位置関係に依存することになる。

本実施例の非接触電力電送システムによれば、例えば第1の電力受信装置２１１に備わる負荷８１を結合コイル７１から切断することにより第2の電力受信装置２１２へ伝送される電力を増加させることができる。さらに電力受信装置２１１〜２１３の負荷８１〜８３の接続を時分割で制御することにより、これらの電力受信機器へ均等に、または任意の比率で電力を送信することができる。

また、制御部１００が、それぞれの電力受信装置の負荷を切断及び接続するタイミングで、前記交流電源部３０の出力電力を任意の値に制御するよう動作してもよい。この場合には、それぞれの電力受信装置２１１〜２１３に備えられる負荷の許容するピーク電力値が異なる場合でも、許容値を超えないよう送信電力をコントロールできる。

本発明の非接触電力伝送システムにおける第３の実施例を図面に基づき説明する。
図４は、本発明の一実施例による磁気共振現象を用いた非接触電力システムの全体構成の一実施例を示すブロック図である。本実施例では、一つの電力送信装置から３つの電力受信装置に電力を送信する場合について説明する。

第1〜第3の電力受信装置２２１〜２２３は、実施例２に示した第1〜第3の電力受信装置２１１〜２１３に、さらに電力検出部１２１〜１２３を備えたものである。
第1〜第3の電力受信装置２２１〜２２３に備えられる電力検出部１２１〜１２３は、それぞれの負荷８１〜８３へ供給される受信電力値を検出し、通信部１１１〜１１３を介して、定期的に電力送信装置２２０へ送信する。電力送信装置２２０に備えられる制御部１００は、それぞれの電力受信装置２１１〜２１３より送信される受信電力値に応じて、各電力受信装置の受信電力が予め定められた比率で伝送されるよう、電力受信装置２２１〜２２３に備えられる負荷８１〜８３の接続を時分割で制御する。

本実施例の非接触電力電送システムによれば、電力送信装置２２０や第１〜第３の電力受信装置２２１〜２２３の位置が変化して、各コイル間の電力伝送効率が変化した場合や、故障などによる負荷の変動が起きた場合にも、各電力受信装置へ送信する電力を一定に保つことができる。

また、制御部１００が、それぞれの電力受信装置の受信電力値に応じて、上記交流電源部３０の出力電力を任意の値に制御するよう動作してもよい。この場合には、それぞれの電力受信装置に備えられる負荷の許容するピーク電力値が異なる場合でも、許容値を超えないよう送信電力をコントロールできる。また、各コイル間の電力伝送効率が変化し、それぞれの電力受信装置に電力送信装置が送信する電力値の総量が変動した場合にも、その変化に送信電力量を追従させることができる。

ここで、電力検出部１２１〜１２３が受信電力を検出し、電力送信装置２２０へ受信電力値を送信するタイミングは、上記のように定期的であっても良いし、予め定められた任意のタイミングで検出と送信を行っても良いし、電力送信装置２２０に備えられる制御部１００からの制御信号に応じて検出と送信を行っても良い。また、繰り返し受信電力の検出を行い、受信電力値が予め定められた閾値を超えた場合にのみ送信しても良く、この場合、通信部１１０〜１１３による制御信号送受信の頻度を減らすことができ、例えば通信部１１０〜１１３が、電力送信装置２２０や電力受信装置２２１〜２２３の間で、画像などのデータを送受信する通信経路を兼ねている場合に、データ通信に与える影響を軽減することができる。

本発明による非接触電力伝送システムの第４の実施例を図面に基づき説明する。
図５は、本発明の一実施例による磁気共振現象を用いた非接触電力システムにおける電力送信装置の一実施例を示すブロック図である。

電力送信装置２３０は、図４で示した実施例３の電力送信装置２２０に、表示部１３０、入力部１４０を備えたものである。表示部１３０は例えば液晶ディスプレイのような、制御部１００から入力された情報を映像として表示することが出来るものである。入力部１４０は、例えばキーパッドのような、ユーザからの入力信号を制御部１００に伝えることができるものである。

実施例３では、それぞれの電力受信装置へ送信される電力を予め定められたものとしたが、本実施例の電力送信装置によれば、各電力受信装置から送信される受信電力量や負荷の状態を表示部１３０に表示することができ、また、ユーザからの入力により各電力受信装置へ送信する電力の比率を変更することができ、利便性が増す。

また、図６は、本発明の一実施例による磁気共振現象を用いた非接触電力システムにおける電力受信装置の一実施例を示した図である。電力受信装置２３１は、図４で示した実施例３の電力受信装置２２１〜２２３に、制御部１０１、表示部１３１、入力部１４１を備えたものであり、上記の例と同様の効果を得ることができる。たとえば受信した受信電力量を表示部１３１に表示でき、入力部１４１からのユーザの入力に応じて電力送信装置２３０は受信する電力を変更することができる。

本実施例では、表示部１３０、１３１及び入力部１４０、１４１を電力送信装置２３０及び電力受信装置２３１の内部に備える構成としたが、外部装置を用いても良く、例えば電力受信装置が一般的なＰＣであって、表示部であるディスプレイ、入力部であるキーボードが外部装置として接続されるような構成であっても良い。

本発明による非接触電力伝送システムの第５の実施例を図面に基づき説明する。
図７は、本発明の一実施例による磁気共振現象を用いた非接触電力システムの一実施例を示すブロック図である。本実施例では、一つの電力送信装置から３つの電力受信装置に電力を送信する場合について説明する。

電力送信装置２４０は、実施例３に示した電力送信装置２２０に制御信号重畳部１５０を備えたものである。
制御信号重畳部１５０は、例えばミキサにより構成され、送信部１１０から電力受信装置へ送信する交流信号源３０からの交流信号に制御信号を重畳するとともに、電力受信装置２４１から電力受信用コイル６１を介して送信される受信電力値を抽出するもので、励振コイル５０に接続される。

第1〜第3の電力受信装置２４１〜２４３は、実施例３に示した第1〜第3の電力受信装置２２１〜２２３に交流電源部３１〜３３と、制御信号重畳部１５１〜１５３を備えたものである。
制御信号重畳部１５１〜１５３は、例えばミキサにより構成され、交流電源部３１〜３３からの交流信号に、送信部１１１〜１１３からの受信電力値を重畳し、また受信した電力に重畳されている前記制御信号を抽出するもので、結合コイル７１〜７３に接続される。

第1〜第3の電力受信装置２４１〜２４３に備えられる電力検出部１２１〜１２３は、それぞれの負荷８１〜８３へ供給される受信電力値を、制御信号重畳部１５１〜１５３を介して、定期的に電力送信装置２４０へ送信する。電力送信装置２４０に備えられる制御部１００は、それぞれの電力受信装置２４１〜２４３より送信される受信電力値に応じて、各電力受信装置の受信電力が予め定められた比率で伝送されるよう、電力受信装置２４１〜２４３に備えられる負荷８１〜８３の接続を時分割で制御するための制御信号を生成し、制御信号重畳部１５０を介して、電力受信装置２４１〜２４３へ送信する。

本実施例の非接触電力電送システムによれば、電力送信装置２４０や第１〜第３の電力受信装置２４１〜２４３の間の通信を、電力送信用コイル４０及び電力受信用コイル６１〜６３を介して行うことができる。これにより、実施例２及び３のような、各装置間の電力伝送経路以外の通信経路が不要となり、装置の低コスト化、小型化に寄与する。

また、本実施例では電力を受信する側から受信電力値を送信する際に、受信装置内部の交流信号源を用いて送信したが、電力送信側から送信する電力の反射を用いて、受信側の持つ受信電力値を電力送信側へ伝達する方法を用いても良い。この場合、第１〜第３の電力受信装置２４１〜２４３に備わる交流信号源３１〜３３が不要となり、装置の小型化、低コスト化に寄与する。

制御信号重畳部１５０〜１５３は、例えばミキサを用いて情報を重畳する例を示したが、他の方法であっても良い。例えば制御信号重畳部１５０では、送信する電磁波を位相変調し、制御信号重畳部１５１〜１５３では前記電力の反射波を振幅変調するなど、変調を用いることも可能である。

これまでの説明において電力送信装置が一つ、電力受信装置が三つの場合を用いているが、当然ながらこれは一例であって、限定条件ではない。一つの電力送信装置に対して二つ、ないし四つ以上の電力受信装置がある場合も本実施例に含まれる。そのほか本発明の変形例が考えられるが、いずれもその範疇にある。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は、ここに記載された非接触電力伝送システムの実施例に限定されるものではなく、他の非接触電力伝送システムにも広く適用できることは言うまでもない。

本発明の実施例１における非接触電力システムの全体構成の一実施例を示すブロック図である。本発明の実施例２における非接触電力システムの全体構成の一実施例を示すブロック図である。本発明の実施例２における非接触電力システムの全体構成の別な一実施例を示すブロック図である。本発明の実施例３における非接触電力システムの全体構成の一実施例を示すブロック図である。本発明の実施例４における非接触電力システムの電力送信装置の一実施例を示すブロック図である。本発明の実施例４における非接触電力システムの電力受信装置の一実施例を示すブロック図である。本発明の実施例５における非接触電力システムの全体構成の一実施例を示すブロック図である。

符号の説明

３０〜３３：交流信号源、４０：電力送信用コイル、５０：励振コイル、６１〜６３：電力受信用コイル、７１〜７３：結合コイル、８１〜８３：負荷、９１〜９３：負荷制御部、１００，１０１：制御部、１１０〜１１３：通信部、１２１〜１２３：電力検出部、１３１：表示部、１４１：入力部、１５１〜１５３：制御信号重畳部、１６１〜１６３：二次電池、２００，２１０，２２０，２３０，２４０：電力送信装置、２０１〜２０３，２１１〜２１３，２２１〜２２３，２３１〜２３３，２４１〜２４３：電力受信装置。

Claims

電力送信装置と少なくも二つの電力受信装置を備え、電磁波を用いて非接触電力伝送を行う非接触電力伝送システムであって、
電磁波を用いた非接触電力伝送により電力を送信する電力送信装置と、
該電力送信装置からの電磁波到達範囲内にあり、前記電力送信装置からの電磁波を磁気共振を用いて受信してこれを中継する第１の電力受信装置と、
該第１の電力受信装置からの電磁波到達範囲内にあり、かつ前記電力送信装置からの電磁波到達範囲外にあって、前記第１の電力受信装置が中継した電磁波を磁気共振を用いて受信する第２の電力受信装置と
を備え、
前記複数の電力受信装置は受信した電力を消費する負荷を各々が備え、
前記電力送信装置は、
磁気共振を用いて前記電力を送信する送電コイルと、
該送電コイルに電力を供給する交流電源部と、
前記複数の電力受信装置と通信を行う第１の通信部と、
該第１の通信部を介して制御信号を送信し前記複数の電力受信装置の前記負荷の接続及び切断の指示をする第１の制御部と
を備え、
前記複数の電力受信装置は、
磁気共振を用いて電力を受信し前記負荷に与える受電コイルと、
前記電力送信装置の第１の通信部と通信を行う第２の通信部と、
該第２の通信部で受信した前記電力送信装置の第１の制御部からの前記指示に応じて、前記受電コイルと前記負荷の接続及び切断の制御を行う第２の制御部と
を備えたことを特徴とする非接触電力伝送システム。
請求項１に記載の非接触電力伝送システムにおいて、
前記複数の電力受信装置は、受信した電力の電力値を検出する電力検出部を備え、前記第２の通信部は前記電力検出部が検出した受信電力値を前記電力送信装置に送信し、
上記電力送信装置の第１の制御部は、前記複数の電力受信装置の各々から送信される前記受信電力値に応じて、前記電力受信装置各々の前記負荷の接続及び切断を指示する
ことを特徴とする非接触電力伝送システム。
請求項１又は請求項２に記載の非接触電力伝送システムにおいて、
前記電力送信装置の有する第１の制御部は、前記交流電源部の出力する電力の電力値を制御することにより、前記複数の電力受信装置各々で受信される電力の電力値を制御することを特徴とする非接触電力伝送システム。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の非接触電力伝送システムにおいて、
前記電力送信装置の有する第１の制御部からの制御信号は、前記非接触電力伝送を行う電磁波に重畳、またはこれを変調して、前記複数の電力受信装置へ送信されることを特徴とする非接触電力伝送システム。
請求項２に記載の非接触電力伝送システムにおいて、
前記電力送信装置の有する第１の制御部からの制御信号は、前記非接触電力伝送を行う電磁波に重畳、またはこれを変調して、前記複数の電力受信装置へ送信され、前記複数の電力受信装置の有する電力検出部が検出した前記受信電力値は、前記非接触電力伝送を行う電磁波の反射波に重畳、またはこれを変調して、前記電力送信装置へ送信されることを特徴とする非接触電力伝送システム。